Введение к работе
Актуальность темы.
Основным параметром, характеризующим энергетическое воздействие при реализации ультразвуковых (УЗ) технологий, является амплитуда колебаний излучающей поверхности пьезопреобразователей колебательных систем технологических аппаратов.
Ультразвуковые колебания высокой интенсивности позволяют ускорить традиционные и реализовать новые процессы в жидких, твердых и газообразных средах. Эффективность таких процессов обусловлена возникновением нелинейных явлений при распространении высокоамплитудных колебаний, вызывающих кавитационные процессы, радиационное давление, микро- и макропотоки, приводящие к разрывам механических и химических связей, увеличению поверхностей и скоростей взаимодействия, ускорению процессов массопереноса и теплопереноса. Особенно впечатляющие результаты достигнуты при реализации процессов в жидких средах. Схлопывающиеся кавитационные пузырьки обеспечивают ускорение практически всех физико-химических процессов в сотни и тысячи раз.
Однако из-за экстремального характера кавитационного воздействия в жидких средах необходимо не только устанавливать определенное значение амплитуды колебаний для инициирования процессов, но поддерживать оптимальное значение амплитуды при изменении параметров сред (плотность, вязкость) и влиянии дестабилизирующих факторов (изменение температуры сред и материалов пьезопреобразователя, демпфирующее действие среды и т.п.). При этом необходимо учитывать зависимость контролируемой амплитуды колебаний от электромеханических свойств пьезопреобразователя, согласованности с электронным генератором, длины рабочего инструмента и формы рабочего окончания (инструмента).
В связи с тем что оптимальное ультразвуковое воздействие обеспечивает максимальную производительность процесса и получение конечного продукта наилучшего качества, возникает необходимость в непрерывном контроле параметров ультразвукового воздействия (амплитуды колебаний). При этом контроль необходимо осуществлять в течение всего жизненного цикла УЗ технологического аппарата: первоначальной настройки, диагностики, профилактического обслуживания, ремонта и непрерывно в ходе реализации технологических процессов.
Большинство традиционных методов не пригодны для непрерывного контроля амплитуды колебаний излучающих поверхностей колебательных систем, работающих в жидких средах, поскольку основаны на использовании внешних датчиков, вносящих существенные искажения в формируемые поля излучения, подвергаемых кавитационному разрушению в неагрессивных жидкостях или физико-химическому разрушению в агрессивных средах. Дополнительные ограничения на использование традиционных методов контроля вносят особенности практической реализации УЗ технологий, обусловливающие необходимость контроля амплитуды в жидкостях при высоких давлениях или температурах, в жидкостях с аномально высоким затуханием ультразвука и при наличии абразивных составляющих.
В связи с этим возникает необходимость в разработке методов и средств (систем) контроля амплитуды колебаний излучающих поверхностей колебательных систем с пьезопреобразователями, пригодных для применения не только в ходе создания, настройки, диагностики и ремонта (при остановке технологических процессов) УЗ технологических аппаратов, но и осуществления непрерывного контроля в ходе реализации технологических процессов в любых условиях без внесения внешних датчиков.
Для практической реализации создаваемая система непрерывного контроля амплитуды должна быть интегрирована в состав УЗ технологических аппаратов.
Целью работы является создание как самостоятельных, так и интегрированных в УЗ технологические аппараты систем контроля амплитуды колебаний, обеспечивающих получение информации об абсолютном значении амплитуды колебаний излучающей поверхности пьезоэлектрической колебательной системы с различными рабочими инструментами и пригодных для применения не только в ходе создания, настройки, диагностики и ремонта (при остановке технологических процессов), но и при реализации технологических процессов без внесения внешних датчиков.
Задачи исследования.
1. Разработка метода, обеспечивающего прямое измерение амплитуды
механических колебаний в процессе настройки УЗ технологических аппаратов,
при проведении сравнительных исследований и калибровки системы, создаваемой
для непрерывного контроля амплитуды в процессе реализации технологических
процессов в любых условиях, без внесения внешних датчиков.
2. Определение контролируемого электрического параметра
пьезоэлектрической колебательной системы, характеризующего амплитуду
механических колебаний излучающей поверхности с максимальной
достоверностью, на основании исследования физических процессов,
происходящих в пьезопреобразователе и электронном генераторе в процессе
работы, и анализ выявленных зависимостей контролируемых электрических
параметров пьезопреобразователя от свойств обрабатываемой среды.
3. Теоретическое обоснование и практическое подтверждение
эффективности контроля амплитуды УЗ колебаний по изменению выбранного
электрического параметра УЗ колебательной системы - электрического тока
механической ветви.
4. Разработка и создание системы непрерывного контроля амплитуды
механических колебаний в составе многофункциональных УЗ аппаратов
(электронных генераторов с различными УЗ пьезоэлектрическими
колебательными системами) для автоматического обеспечения оптимального УЗ
воздействия.
5. Практическая реализация и выявление границ применимости
предложенных систем контроля амплитуды колебаний пьезоэлектрической
колебательной системы с различными рабочими инструментами не только в
процессе создания, настройки, диагностики и ремонта (при остановке
технологических процессов), но и в процессе реализации технологических
процессов.
Разработка методики и практическая реализация метода автоматической калибровки аппаратов со сменными рабочими инструментами различной длины и формы для ускорения и повышения точности настройки ультразвуковых аппаратов.
Практическая реализация систем контроля, в т.ч. интегрированных в состав технологических аппаратов, разработка рекомендаций по организации контроля амплитуды механических колебаний ультразвуковых технологических аппаратов в условиях настройки и эксплуатации.
Объектами исследования являются системы контроля, основанные на прямых и косвенных методах измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности пьезоэлектрических колебательных систем, используемых при реализации процессов, основанных на УЗ воздействии.
Методы исследования.
В работе использованы методы анализа формы и параметров электрических сигналов, оптические методы измерения, методы цифровой обработки информации, методы математической статистики и обработки экспериментальных данных.
При проведении исследований использованы аналитический и экспериментальный методы. Аналитический метод использован для анализа процессов преобразования энергии в электронном генераторе и пьезоэлектрическом преобразователе под влиянием внешней среды. Экспериментальный метод использован для получения зависимостей амплитуды УЗ колебаний от электрического тока механической ветви УЗ колебательной системы.
Научную новизну составляют:
Новый метод оптического контроля амплитуды колебаний излучающей поверхности пьезоэлектрических колебательных систем, реализуемый посредством визуального наблюдения через микроскоп светотеневых изображений, которые создаются импульсными источниками света, синхронизированными с моментами максимальных колебательных смещений излучающей поверхности, а также предусматривающий возможность автоматизации процесса регистрации и обработки результатов. Новизна технического решения подтверждена патентом РФ №2292530.
Предложенный и разработанный новый метод непрерывного контроля амплитуды механических колебаний излучающей поверхности колебательных систем при реализации ультразвукового воздействия, основанный на контроле электрического параметра колебательной системы - тока механической ветви пьезопреобразователя.
Выявленные в результате экспериментальных исследований зависимости изменения амплитуды механических колебаний излучающей поверхности от величины электрического тока механической ветви пьезопреобразователя, позволившие предложить и разработать методику контроля для различных по функциональному назначению колебательных систем с различными по длине, диаметру и форме концентраторами и сменными рабочими инструментами.
4. Метод калибровки, обеспечивающий автоматическую настройку системы контроля амплитуды колебательных систем со сменными рабочими инструментами различной длины и формы.
Практическая значимость.
Разработан и практически реализован новый метод оптического контроля амплитуды механических колебаний излучающей поверхности пьезоэлектрических колебательных систем, основанный на визуальном наблюдении через микроскоп светотеневых изображений, которые создаются импульсными источниками света, синхронизированными с моментами максимальных колебательных смещений, пригодный для применения в прозрачных средах и для калибровки систем контроля, основанных на других принципах контроля амплитуды УЗ колебаний.
Разработана и практически реализована система непрерывного контроля амплитуды колебаний для поддержания выходных параметров электронных генераторов и колебательных систем на заданном уровне для реализации оптимального УЗ воздействия.
Разработаны и реализованы на практике схемные и алгоритмические решения, а также методические рекомендации, позволившие интегрировать систему контроля амплитуды колебаний в существующие системы управления серийно выпускаемых УЗ аппаратов.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на Всероссийских научно-практических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП)» 2004 г. и 2010 г. (г. Бийск), Четвертой научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург), международных конференциях-семинарах: Шестой международной сибирской конференции по электронным приборам и материалам EDM 2005 г. (г. Новосибирск), Седьмой международной конференции по электронным приборам и материалам EDM 2006 г. (г. Новосибирск), Восьмой сибирской конференции по электронным приборам и материалам EDM 2007 г. (г. Новосибирск), Девятом международном конференции-семинаре по электронным приборам и материалам EDM 2008 г. (г. Новосибирск), Международных конференциях-семинарах по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM 2009-2010 гг. (г. Новосибирск).
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, были использованы при выполнении НИОКР: «Развитие научных основ повышения эффективности ультразвуковых технологий, исследование процессов взаимодействия ультразвуковых колебаний высокой интенсивности с веществом, разработка и организация производства ультразвуковых аппаратов для повышения эффективности технологических процессов (2005-2009 гг.)». Регистрационный номер НИОКР - 01.02.0509063 и НИОКР по Государственному контракту №П2518 от 20.11.2009 г.: «Разработка и создание высокоэффективных электроакустических преобразователей для интенсификации процессов в газовых средах», также в ряде договоров БТИ (филиала) АлтГТУ на выполнение НИР.
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, были использованы при подготовке образцов ультразвуковых аппаратов, выставленных на IX Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009 г. (г. Москва) (диплом первой степени).
Реализация результатов.
Результаты работы использованы при разработке, создании конструкторской документации и УЗ технологических аппаратов различного назначения (для сварки полимерных термопластичных материалов, кавитационной обработки жидких сред, коагуляции аэрозолей, размерной обработки высокотвердых и хрупких материалов и др.) и нашли промышленное применение на предприятиях РФ, таких как ФГУП НМЗ «Искра» (г. Новосибирск), ФГУП «Центр Келдыша» (г. Москва), ГУЗ «Алтайская краевая станция переливания крови», Муромский электромеханический завод (г. Муром), ОАО «Биофизическая аппаратура» (г. Москва), ООО «М-Компас» (г. Москва), ООО «ПК Технотрон» (г. Набережные Челны), ЗАО «Уралпромснаб» (г. Челябинск), ООО «Уралполимериндустрия» (г. Уфа), Торгово-промышленная группа «Альт-А» (г. Новосибирск), ОАО «Бифин» (г. Кемерово).
Результаты работы используются в учебном процессе Бийского технологического института в рамках курсов «Применение ультразвука в технике», «Применение ультразвука в химической технологии», «Применение ультразвука в пищевой промышленности» для специальностей приборостроительного и химического направлений. Предложенные методы контроля амплитуды используются при проведении научных исследований в БТИ и малом инновационном предприятии ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».
Положения, выносимые на защиту.
Повышение точности и обеспечение автоматизации процесса контроля амплитуды механических колебаний излучающей поверхности пьезоэлектрических колебательных систем предложенным и разработанным методом визуального наблюдения через микроскоп светотеневых изображений, которые создаются импульсными источниками света, синхронизированными с моментами максимальных колебательных смещений излучающей поверхности.
Выявленная и обоснованная возможность контроля амплитуды колебаний пьезопреобразователей на основании контроля составляющей электрического тока, протекающей через пьезопреобразователь и являющейся разностью между полным током преобразователя и его составляющей, которая обусловлена собственной электрической емкостью пьезоэлементов.
Созданная система контроля, интегрированная в состав УЗ аппаратов и обеспечивающая возможность непрерывного контроля для эффективного УЗ воздействия и управления процессами.
Методика контроля предложенными методами при помощи разработанных устройств, обеспечивающая не только контроль амплитуды любых рабочих инструментов из комплектации аппарата, но и автоматическое определение типа присоединенного инструмента для обеспечения с его помощью режимов оптимального УЗ воздействия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК, - 4, получены один патент на изобретение, два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 123 наименований; содержит 160 страниц машинописного текста, 66 рисунков, 2 таблицы.
